地面三維激光掃描技術(shù)在既有空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)測(cè)繪中的應(yīng)用*

劉 輝，趙榮欣，龔治國(guó)

(1.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200032；2.奧來(lái)國(guó)信(北京)檢測(cè)技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 101302)

0 引言

在既有空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安全性檢測(cè)評(píng)估中，結(jié)構(gòu)竣工圖紙及原設(shè)計(jì)圖紙等資料的完備，是整個(gè)項(xiàng)目能夠順利開(kāi)展的前提條件之一。當(dāng)被檢測(cè)結(jié)構(gòu)圖紙資料缺失時(shí)，需對(duì)整個(gè)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)繪。由于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屬于空間結(jié)構(gòu)，形狀復(fù)雜多樣，且整個(gè)結(jié)構(gòu)往往用作屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)，凈空較高，如果采用登高的方式進(jìn)行傳統(tǒng)手工測(cè)繪，作業(yè)安全性及效率無(wú)法保證。目前，常采用全站儀進(jìn)行測(cè)繪[1-2]，通過(guò)在樓地面設(shè)站，對(duì)各球節(jié)點(diǎn)表面進(jìn)行測(cè)量，得到相應(yīng)坐標(biāo)信息，進(jìn)而完成整個(gè)網(wǎng)架測(cè)繪工作。全站儀測(cè)繪效率、安全性均較高，但無(wú)法直接測(cè)得球節(jié)點(diǎn)形心坐標(biāo)。如果通過(guò)多次測(cè)量球節(jié)點(diǎn)表面坐標(biāo)推算形心坐標(biāo)，誤差較大，效率較低。由于球節(jié)點(diǎn)、桿件直徑難以測(cè)量，且作業(yè)方式為單點(diǎn)測(cè)量，使整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪效率較低。

三維激光掃描技術(shù)是以測(cè)量學(xué)科技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)和儀器光電子技術(shù)為基礎(chǔ)的綜合性測(cè)繪測(cè)量技術(shù)[3-4]，具有作業(yè)安全、效率高、精度高、非接觸、速度快、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，其面測(cè)量的方式可大幅度提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪數(shù)據(jù)采集效率，已在礦山測(cè)量[5-6]、隧道工程測(cè)量[7-8]、古建筑保護(hù)[9-10]、建筑物外立面檢測(cè)[11-12]中得到廣泛應(yīng)用，尤其適用于手工測(cè)繪受限、測(cè)繪規(guī)模大的情況。將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)測(cè)繪中，以提高測(cè)繪工作效率和安全性，并通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行球節(jié)點(diǎn)、桿件擬合，以解決球節(jié)點(diǎn)形心坐標(biāo)、桿件直徑等難以獲取的問(wèn)題。

1 工程概況

某體育館采用大空間設(shè)計(jì)，體育場(chǎng)館部分為1層，屋面支承為大跨度空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，辦公部分為3層，樓屋面為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。體育館東西向總長(zhǎng)約41.4m，南北向總寬約40.4m。由于體育館空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖紙缺失，需進(jìn)行實(shí)地測(cè)繪。

圖1 體育館空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

2 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)測(cè)繪

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集和紋理信息數(shù)據(jù)采集。點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為內(nèi)業(yè)繪圖的依據(jù)，其完整性、準(zhǔn)確性至關(guān)重要。紋理信息映射是將被掃描物體上的照片映射到點(diǎn)云上，使作色后的點(diǎn)云還原被掃描物體真實(shí)色彩。不同于歷史建筑測(cè)繪，空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)測(cè)繪對(duì)色彩、紋理細(xì)節(jié)的要求較低，現(xiàn)場(chǎng)獲取紋理信息主要為了便于內(nèi)業(yè)對(duì)各測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行手動(dòng)配準(zhǔn)。當(dāng)各測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)配準(zhǔn)時(shí)，為提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率，可省略現(xiàn)場(chǎng)紋理信息數(shù)據(jù)的采集。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集過(guò)程中，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是點(diǎn)云密度，工程實(shí)踐表明，球節(jié)點(diǎn)及桿件表面點(diǎn)云密度對(duì)保證截面尺寸擬合效果至關(guān)重要。點(diǎn)云密度過(guò)大會(huì)影響后期數(shù)據(jù)處理效率，因此，應(yīng)在保證點(diǎn)云密度滿足實(shí)際工作需求的情況下，綜合考慮掃描儀精度、被掃描桿件尺寸、作業(yè)有效范圍等因素，合理選擇掃描分辨率。

掃描設(shè)備采用徠卡C10型三維激光掃描儀，該儀器支持300m遠(yuǎn)距離掃描，視場(chǎng)角為360°×270°(水平×垂直)，掃描速度為50 000點(diǎn)/s，掃描分辨率優(yōu)于20mm/100m，點(diǎn)位精度為6mm/50m，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)均滿足本工程測(cè)繪需要。

對(duì)掃描工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘結(jié)果，查找實(shí)際空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)建筑平面圖上①～⑥軸及?～?軸的范圍，為較完整地采集整個(gè)空間網(wǎng)架表面坐標(biāo)，在體育館室內(nèi)地面均勻布設(shè)8個(gè)測(cè)站，分別為②～⑤軸與，軸交點(diǎn)處，配準(zhǔn)標(biāo)靶采用4個(gè)直徑為76.2mm藍(lán)白平面標(biāo)靶，高低錯(cuò)落地布設(shè)在①，⑥軸與?，?軸交點(diǎn)處，如圖2所示。掃描儀在各測(cè)站進(jìn)行全景掃描后，分別對(duì)4個(gè)配準(zhǔn)標(biāo)靶進(jìn)行高精度掃描，由于各測(cè)站掃描數(shù)據(jù)未線性傳遞，可在最大程度上保證整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)精度。

圖2 測(cè)站與配準(zhǔn)標(biāo)靶布設(shè)示意

采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，在測(cè)站1處進(jìn)行預(yù)掃描，掃描分辨率預(yù)設(shè)為5mm/100m，掃描模式為全景掃描，預(yù)掃描結(jié)束后立即對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，確定了本次掃描范圍內(nèi)的球節(jié)點(diǎn)及桿件上的點(diǎn)云密度，可滿足確定空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)軸網(wǎng)系統(tǒng)及球節(jié)點(diǎn)、桿件截面尺寸的要求。按照測(cè)站1的掃描參數(shù)，分別在另外7個(gè)測(cè)站處繼續(xù)掃描，各測(cè)站均通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的4個(gè)標(biāo)靶進(jìn)行配準(zhǔn)，最終形成同一坐標(biāo)系下的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2 內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

除目標(biāo)掃描物空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)外，經(jīng)配準(zhǔn)融合后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中仍存在大量無(wú)關(guān)數(shù)據(jù)，需利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行去噪和消冗。首先通過(guò)手動(dòng)方式對(duì)目標(biāo)掃描物以下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整體刪除，保留空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及屋面板底面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上、下弦平面均為弧面，且與屋面板聯(lián)系緊密，難以采用手動(dòng)及自動(dòng)的方式進(jìn)行去噪。通過(guò)對(duì)屋面板點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行俯視觀察(見(jiàn)圖3)，可以發(fā)現(xiàn)屋面板點(diǎn)云數(shù)據(jù)疊加在空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)點(diǎn)云上后，不影響空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)球節(jié)點(diǎn)及桿件的清晰度，因此內(nèi)業(yè)繪圖工作可以正常進(jìn)行。為提高工作效率，未對(duì)屋面板底及空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下弦桿上的燈具點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪。

圖3 去噪后空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)點(diǎn)云俯視圖

2.3 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)平面圖繪制

空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)軸網(wǎng)系統(tǒng)采用直接臨摹法確定，主要步驟如下：①在點(diǎn)云處理軟件中將空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)空間點(diǎn)云坐標(biāo)沿長(zhǎng)邊方向自西向東設(shè)置為x軸正向，與原建筑平面設(shè)計(jì)圖軸網(wǎng)系統(tǒng)x軸正向一致；②將經(jīng)去噪、消冗、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)正射投影至繪圖軟件中；③采用交互式繪圖方式確定網(wǎng)架下弦軸網(wǎng)系統(tǒng)，在點(diǎn)云處理軟件中，對(duì)網(wǎng)架下弦桿點(diǎn)云分布進(jìn)行觀察，找到繪圖軟件中經(jīng)正射處理后的點(diǎn)云相應(yīng)位置，利用繪圖軟件中的“直線”命令，在下弦桿中心位置臨摹桿件并逐一進(jìn)行標(biāo)注，形成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下弦桿分布平面草圖；④依據(jù)法式測(cè)繪原則，對(duì)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下弦桿分布平面草圖標(biāo)注尺寸進(jìn)行規(guī)整，在點(diǎn)云處理軟件中，通過(guò)觀察空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與室內(nèi)柱的位置關(guān)系，并參考原建筑設(shè)計(jì)圖紙軸號(hào)確定空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)軸號(hào)，繪制球節(jié)點(diǎn)及空間網(wǎng)架下弦桿分布平面圖；⑤參考步驟③，④，繪制球節(jié)點(diǎn)及空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上弦桿分布平面圖；⑥融合球節(jié)點(diǎn)及空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上、下弦桿分布平面圖，連接上、下弦桿節(jié)點(diǎn)繪制腹桿，形成完整的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分布平面圖。

確定空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)球節(jié)點(diǎn)及桿件截面尺寸的步驟如下：①通過(guò)點(diǎn)云處理軟件，肉眼觀察球節(jié)點(diǎn)及桿件點(diǎn)云尺寸，找出點(diǎn)云分布規(guī)律，將球節(jié)點(diǎn)及桿件按尺寸規(guī)格進(jìn)行初步分類，初步分類結(jié)果標(biāo)注在球節(jié)點(diǎn)及桿件分布平面草圖中。②根據(jù)初步分類結(jié)果，采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合計(jì)算法，通過(guò)點(diǎn)云處理軟件截取球節(jié)點(diǎn)及桿件點(diǎn)云進(jìn)行擬合，形成封閉完整的桿件模型，讀取模型參數(shù)，從而得到球節(jié)點(diǎn)及桿件截面尺寸，如圖4所示。③查漏補(bǔ)缺，并根據(jù)實(shí)際擬合結(jié)果修正球節(jié)點(diǎn)及桿件規(guī)格尺寸，完成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上、下弦桿及腹桿等的測(cè)繪，如圖5～7所示。圖5中S1～S7分別表示直徑為63～65，71～72，80～81，84～85，94～96，118～119，143～144mm的上弦桿，SD1～SD4分別表示直徑為100，110，120，140mm的上弦球節(jié)點(diǎn)。圖6中X1～X4分別表示直徑63～65，79～80，93～94，118mm的下弦桿，XD1～XD6分別表示直徑100，110，120，130，150，160mm的下弦球節(jié)點(diǎn)。圖7中F1，F(xiàn)2分別表示直徑63～65，80～81mm的腹桿，圖中未標(biāo)注的腹桿均為F1。④對(duì)誤差進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)點(diǎn)云處理軟件，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)放置的各類標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件截面尺寸進(jìn)行擬合計(jì)算，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行誤差分析，結(jié)果表明誤差范圍為0～3mm，滿足本工程測(cè)繪精度要求。

圖4 球節(jié)點(diǎn)及桿件尺寸擬合計(jì)算

圖5 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上弦桿平面測(cè)繪

圖6 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下弦桿平面測(cè)繪

3 結(jié)語(yǔ)

1)采用地面三維激光掃描儀對(duì)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)掃描，為提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)效率，可省略現(xiàn)場(chǎng)紋理信息數(shù)據(jù)采集過(guò)程。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集過(guò)程中，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是點(diǎn)云密度。在空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)掃描過(guò)程中，應(yīng)在保證點(diǎn)云密度滿足實(shí)際工作需求的情況下，綜合考慮掃描儀精度、被掃描桿件尺寸、作業(yè)有效范圍等因素，合理選擇掃描分辨率。

2)通過(guò)內(nèi)業(yè)點(diǎn)云處理軟件和繪圖軟件進(jìn)行交互式空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下弦桿分布平面草圖繪制，草圖數(shù)據(jù)經(jīng)法式測(cè)繪原則規(guī)整后，可還原空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸網(wǎng)尺寸、桿件分布及截面尺寸。

3)采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合計(jì)算法，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)放置的各類標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件截面尺寸進(jìn)行擬合計(jì)算，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行誤差分析，結(jié)果表明誤差范圍為0～3mm，滿足本工程測(cè)繪精度要求。

圖7 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)腹桿平面測(cè)繪